Le atom tro na linntean - pàirt 3

Bha modail planaid Rutherford den atom nas fhaisge air fìrinn na "maragan raisin" aig Thomson. Ach, cha do mhair beatha a 'bhun-bheachd seo ach dà bhliadhna, ach mus bruidhinn thu mu neach-leantainn, tha an t-àm ann na h-ath dhìomhaireachd atamach fhuasgladh.

1. Isotopan hidrogen: prot seasmhach agus deuterium agus tritium rèidio-beò (dealbh: BruceBlaus / Wikimedia Commons).

maoim-sneachda niùclasach

Le bhith a’ lorg iongantas rèidio-beò, a chomharraich toiseach a bhith a’ faighinn a-mach dìomhaireachdan an dadam, bha e an toiseach a’ bagairt air bunait ceimigeachd - lagh na h-ùine. Ann an ùine ghoirid, chaidh grunn dhusan stuth rèidio-beò a chomharrachadh. Bha na h-aon fheartan ceimigeach aig cuid dhiubh, a dh'aindeoin na diofar tomad atamach, agus bha feartan eadar-dhealaichte aig cuid eile, leis an aon tomad. A bharrachd air an sin, anns an raon den chlàr ràitheil far am bu chòir dhaibh a bhith air an cur air sgàth an cuideam, cha robh àite gu leòr an-asgaidh ann airson a h-uile duine. Chaidh an clàr ràitheil a chall mar thoradh air maoim-sneachda a chaidh a lorg.

2. Mac-samhail de speactrometer mòr J.J. Thompson ann an 1911 (dealbh: Jeff Dahl/Wikimedia Commons)

Niùclas atamach

Is e seo 10-100 mìle. amannan nas lugha na an atom gu lèir. Nam biodh niuclas atom hydrogen gu bhith air a leudachadh gu meud ball le trast-thomhas de 1 cm agus air a chuir ann am meadhan raon ball-coise, bhiodh dealanan (nas lugha na ceann prìne) faisg air tadhal. (còrr is 50 m).

Tha cha mhòr a h-uile tomad de atom air a chuartachadh anns an niuclas, mar eisimpleir, airson òr tha e faisg air 99,98%. Smaoinich air ciùb den mheatailt seo le cuideam 19,3 tonna. A h-uile duine nuclei nan atoms tha tomhas-lìonaidh iomlan nas lugha na 1/1000 mm3 aig òr (ball le trast-thomhas nas lugha na 0,1 mm). Mar sin, tha an atom uamhasach falamh. Feumaidh luchd-leughaidh dùmhlachd an stuth bunaiteach obrachadh a-mach.

Chaidh am fuasgladh don duilgheadas seo a lorg ann an 1910 le Frederick Soddy. Thug e a-steach bun-bheachd isotopan, i.e. seòrsaichean den aon eileamaid a tha eadar-dhealaichte nan tomad atamach (1). Mar sin, chuir e ceist air postachd eile de Dalton - bhon mhionaid sin air adhart, cha bu chòir eileamaid cheimigeach a bhith air a dhèanamh suas de atoman den aon tomad tuilleadh. Rinn am beachd-bharail isotope, às deidh dearbhadh deuchainneach (mass spectrograph, 1911), e comasach cuideachd luachan bloigh de mhòran atamach cuid de eileamaidean a mhìneachadh - tha a’ mhòr-chuid dhiubh nam measgachadh de dh’ iomadh isotopan, agus tomad atamach is e an cuibheas cudthromach de mhòran dhiubh uile (2).

Co-phàirtean kernel

Rinn fear eile de dh’ oileanaich Rutherford, Henry Moseley, sgrùdadh air X-ghathan air an sgaoileadh le eileamaidean aithnichte ann an 1913. Eu-coltach ri speactram optigeach iom-fhillte, tha an speactram X-ray gu math sìmplidh - chan eil gach eileamaid a ’sgaoileadh ach dà thonn, agus tha na tonnan aca gu furasta ceangailte ri cosgais a niuclas atamach.

3. Aon de na h-innealan X-ray a chleachd Moseley (dealbh: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Rinn seo e comasach airson a’ chiad uair an fhìor àireamh de eileamaidean a th ’ann a thaisbeanadh, a bharrachd air faighinn a-mach cia mheud dhiubh nach eil gu leòr fhathast airson na beàrnan anns a’ chlàr ràitheil a lìonadh (3).

Canar proton (proton Grèigeach = an toiseach) ri mìrean le cosgais dearbhach. Dh'èirich duilgheadas eile sa bhad. Tha meud proton timcheall air co-ionann ri 1 aonad. A chionn niuclas atamach tha mòr-chuid de 11 aonadan aig sodium le cosgais 23 aonadan? Tha an aon rud, gu dearbh, fìor le eileamaidean eile. Tha seo a’ ciallachadh gum feum mìrean eile a bhith an làthair anns a’ niuclas agus gun cosgais. An toiseach, bha luchd-fiosaig a 'gabhail ris gu robh iad sin air an ceangal gu làidir le protonaichean le dealanan, ach aig a' cheann thall chaidh a dhearbhadh gun do nochd mìrean ùr - an neutron (Laideann neuter = neodrach). Chaidh am pìos bunasach seo (na “breigichean” bunaiteach a tha a’ dèanamh suas a h-uile cùis) a lorg ann an 1932 leis an eòlaiche fiosaig Sasannach Seumas Chadwick.

Faodaidh protonaidean agus neutronan tionndadh gu chèile. Tha luchd-fiosaig a’ cumail a-mach gur e cruthan de mhìrean ris an canar nucleon (nucleus Laideann = niuclas) a th’ annta.

Leis gur e proton a th’ ann an niuclas an isotope de hydrogen as sìmplidhe, chìthear gu bheil Uilleam Prout anns a’ bheachd-bharail “hydrogen” aige structar an atom cha robh e ro ceàrr (faic: "Leis an atom tro na linntean - pàirt 2"; "Teicneòlaiche Òg" Àir. 8/2015). An toiseach, bha eadhon caochlaidhean eadar na h-ainmean proton agus "proton".

4. Photocells aig an deireadh - is e bunait na h-obrach aca a’ bhuaidh photoelectric (dealbh: Ies / Wikimedia Commons)

Chan eil a h-uile dad ceadaichte

Bha “lochd congenital” aig modail Rutherford aig àm a choltais. A rèir laghan Maxwell de electrodynamics (air a dhearbhadh le craoladh rèidio mar-thà ag obair aig an àm sin), bu chòir dealan a 'gluasad ann an cearcall radiate tonn electromagnetic.

Mar sin, bidh e a 'call lùth, mar thoradh air a bheil e a' tuiteam air a 'chnoc. Fo chumhachan àbhaisteach, cha bhith dadaman a’ gluasad (thèid speactra a chruthachadh nuair a thèid an teasachadh gu teòthachd àrd) agus chan eilear a’ cumail sùil air mòr-thubaistean atamach (tha beatha measta dealanan nas lugha na milleanamh diog).

Mhìnich modail Rutherford toradh an deuchainn sgapaidh gràinean, ach cha robh e fhathast a’ freagairt ris an fhìrinn.

Ann an 1913, dh'fhàs daoine "cleachdte" leis an fhìrinn gu bheil lùth anns a 'microcosm air a ghabhail agus air a chuir a-steach chan ann ann an tomhas sam bith, ach ann an cuibhreannan, ris an canar quanta. Air a’ bhunait seo, mhìnich Max Planck nàdar an speactra de rèididheachd a chaidh a sgaoileadh le cuirp teasachaidh (1900), agus Albert Einstein (1905) dìomhaireachdan na buaidh photoelectric, ie, sgaoileadh dealanan le meatailtean soillsichte (4).

5. Tha ìomhaigh eadar-dhealachaidh de eleactronan air criostal tantalum oxide a’ sealltainn a structar co-chothromach (dealbh: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

Leasaich am fiosaig 28-bliadhna às an Danmhairg Niels Bohr modal an atom aig Rutherford. Mhol e nach gluais dealanan ach ann an orbits a choinnicheas ri suidheachaidhean lùtha sònraichte. A bharrachd air an sin, cha bhith dealanan a’ leigeil a-mach rèididheachd fhad ‘s a tha iad a’ gluasad, agus chan eil lùth air a ghabhail a-steach agus air a sgaoileadh ach nuair a thèid a shuntadh eadar orbitan. Bha na barailean a’ dol an-aghaidh fiosaig clasaigeach, ach thionndaidh na toraidhean a fhuaireadh air a’ bhunait aca (meud an atom hydrogen agus fad loidhnichean an speactram aige) gu bhith co-chòrdail ris an deuchainn. ùr-bhreith modail atomu.

Gu mì-fhortanach, cha robh na toraidhean dligheach ach airson an atom hydrogen (ach cha do mhìnich iad a h-uile sealladh speurail). Airson eileamaidean eile, cha robh na toraidhean àireamhachaidh a 'freagairt ris an fhìrinn. Mar sin, cha robh modal teòiridheach den atom fhathast aig fiosaig.

Thòisich dìomhaireachdan a’ glanadh às deidh aon bhliadhna deug. Bha tràchdas dotaireil an eòlaiche fiosaig Frangach Ludwik de Broglie a’ dèiligeadh ri feartan tonn mìrean stuthan. Tha e air a dhearbhadh mar-thà gu bheil solas, a bharrachd air feartan àbhaisteach tonn (sgaradh, ath-tharraing), cuideachd gad ghiùlan fhèin mar chruinneachadh de ghràineanan - photons (mar eisimpleir, buaidhean elastagach le dealanan). Ach tomad nithean? Bha a’ bharail coltach ri bruadar pìoba dha prionnsa a bha airson a bhith na eòlaiche-fiosaig. Ach, ann an 1927 chaidh deuchainn a dhèanamh a dhearbh beachd-bharail de Broglie - bha an giùlan dealanach air a sgaradh air criostal meatailt (5).

Cò às a thàinig atoms?

Mar a h-uile duine eile: Big Bang. Tha luchd-fiosaig den bheachd gu bheil gu litireil ann am bloigh diog bhon “phuing neoni” protonaichean, neutronan agus dealanan, is e sin, na dadaman co-roinneil, air an cruthachadh. Beagan mhionaidean às deidh sin (nuair a dh’ fhuaraich an cruinne-cè agus lughdaich dùmhlachd stuth), chaidh na nucleons còmhla, a’ cruthachadh niuclasan eileamaidean a bharrachd air hydrogen. Chaidh an ìre as motha de helium a chruthachadh, a bharrachd air comharran de na trì eileamaidean a leanas. Is ann dìreach às deidh 100 XNUMX Airson grunn bhliadhnaichean, bha suidheachaidhean a’ leigeil le dealanan ceangal ri niùclas - chaidh a’ chiad dadaman a chruthachadh. Bha agam ri feitheamh ùine mhòr airson an ath fhear. Dh'adhbhraich caochlaidhean air thuaiream ann an dùmhlachd cruthachadh dùmhlachd, a tharraing, mar a nochd iad, barrachd is barrachd chùisean. Goirid, ann an dorchadas na cruinne, dh'èirich a 'chiad reultan.

Às deidh timcheall air billean bliadhna, thòisich cuid dhiubh a’ bàsachadh. Anns a 'chùrsa aca rinn iad nuclei nan atoms sìos gu iarann. A‑nis, nuair a bhàsaich iad, sgaoil iad air feadh na roinne iad, agus rugadh rionnagan ùra bhon luaithre. Bha crìoch iongantach aig a 'mhòr-chuid dhiubh. Rè spreadhaidhean supernova, chaidh na niùclan a spreadhadh le uimhir de ghràineanan gun deach eadhon na h-eileamaidean as truime a chruthachadh. Chruthaich iad rionnagan ùra, planaidean, agus air cuid de chruinnean - beatha.

Thathas air dearbhadh gu bheil tonnan cuspair ann. Air an làimh eile, bhathas den bheachd gur e tonn seasmhach a bh’ ann an dealan ann an atom, air sgàth sin nach eil e a’ cuairteachadh lùth. Chaidh feartan tonn dealanan gluasadach a chleachdadh gus miocroscopan dealanach a chruthachadh, a rinn e comasach dadaman fhaicinn airson a’ chiad uair (6). Anns na bliadhnaichean às deidh sin, rinn obair Werner Heisenberg agus Erwin Schrödinger (stèidhichte air beachd-bharail de Broglie) e comasach modal ùr de shligean dealanach an atom a leasachadh, gu tur stèidhichte air eòlas. Ach tha iad sin nan ceistean taobh a-muigh raon an artaigil.

Thàinig aisling nan alchemists gu buil

Tha fios air cruth-atharrachaidhean rèidio-beò nàdarra, anns a bheil eileamaidean ùra air an cruthachadh, bho dheireadh an 1919mh linn. Ann an XNUMX, rudeigin nach eil ach nàdar air a bhith comasach gu ruige seo. Bha Ernest Rutherford rè na h-ùine seo an sàs ann an eadar-obrachadh mìrean le stuth. Rè na deuchainnean, thug e fa-near gun do nochd na protonaichean mar thoradh air irradachadh le gas nitrigin.

B’ e an aon mhìneachadh airson an iongantas an ath-bhualadh eadar niuclas helium (màthar agus niuclas isotope den eileamaid seo) agus nitrigin (7). Mar thoradh air an sin, tha ocsaidean agus hydrogen air an cruthachadh (is e proton niuclas an isotope as aotrom). Tha aisling nan alchemists mu ghluasad air tighinn gu buil. Anns na deicheadan às deidh sin, chaidh eileamaidean a thoirt a-mach nach lorgar ann an nàdar.

Cha robh ullachadh rèidio-beò nàdarrach a bha a’ sgaoileadh a-ghràinean freagarrach tuilleadh airson an adhbhair seo (tha cnap-starra Coulomb de nèimheasan troma ro mhòr airson mìrean aotrom a thighinn faisg orra). B’ e “fùirneisean alceimiceach” a bh’ anns na luathadairean, a’ toirt lùth mòr do niùclasan isotopan trom, anns an do dh’ fheuch sinnsearan cheimigearan an latha an-diugh ri “rìgh nam meatailtean” fhaighinn (8).

Gu fìrinneach, dè mu dheidhinn òr? Bhiodh alchemists gu tric a’ cleachdadh airgead-beò mar stuth amh airson a chinneasachadh. Feumar aideachadh gun robh fìor “sròn” aca sa chùis seo. B’ ann bho airgead-beò air a làimhseachadh le neutronan ann an reactair niùclasach a chaidh òr fuadain fhaighinn an toiseach. Chaidh am pìos meatailt a shealltainn ann an 1955 aig Co-labhairt Atamach Geneva.

Fig. 6. Ataman air uachdar an òir, rim faicinn san ìomhaigh ann am miocroscop tunail sganaidh.

7. Sgeama a 'chiad transmutation daonna de na h-eileamaidean

Dh'adhbhraich an naidheachd mu choileanadh fiosaigs eadhon gluasad goirid air iomlaidean stoc an t-saoghail, ach chaidh na h-aithisgean naidheachd inntinneach a dhiùltadh le fiosrachadh mu phrìs a’ mhèinn a chaidh a mhèinneadh san dòigh seo - tha e iomadh uair nas daoire na òr nàdarra. Cha tèid reactaran an àite mèinn meatailt prìseil. Ach tha na isotopan agus na h-eileamaidean fuadain a chaidh a thoirt a-mach annta (airson adhbharan leigheis, lùth, rannsachadh saidheansail) mòran nas luachmhoire na òr.

8. Seicotron eachdraidheil a' co-chur a' chiad beagan eileamaidean às dèidh uranium anns a' chlàr ràitheil (Lawrence Radiation Laboratory, Oilthigh California, Berkeley, Lùnastal 1939)

Do luchd-leughaidh a bhiodh airson sgrùdadh a dhèanamh air na cùisean a chaidh a thogail san teacsa, tha mi a’ moladh sreath de artaigilean le Mgr Tomasz Sowiński. Nochd e ann an "Young Technics" ann an 2006-2010 (fon cheann "Mar a lorg iad"). Tha na teacsaichean cuideachd rim faighinn air làrach-lìn an ùghdair aig: .

Rothaireachd"Le atom gu bràth» Thòisich e le cuimhneachan gur e aois an atom a bh’ air an linn mu dheireadh. Gu dearbh, chan urrainn dhuinn fàiligeadh a thoirt fa-near coileanaidhean bunaiteach fiosaig agus ceimigearan san XNUMXmh linn ann an structar cùis. Ach, anns na bliadhnachan mu dheireadh, tha eòlas air microcosm a 'leudachadh nas luaithe agus nas luaithe, tha teicneòlasan gan leasachadh a leigeas le bhith a' làimhseachadh dadaman agus moileciuil fa leth. Bheir seo còir dhuinn a ràdh nach eil fìor aois an atom fhathast air ruighinn.